内容 1. 東日本大震災における河川堤防被害の概要 2. 東日本大震災における液状化対策工の効果 3. 堤体液状化の評価と対策工法の検討 4. 河川堤防の耐震性照査手法の高度化 5. まとめと今後の課題 2

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きよはるみのしま
5 years ago
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1 2014/03/19 防災減災に向けた研究成果報告会 ~ 東日本大震災から 3 年 ~ 河川堤防の液状化対策の効果の検証と高度化に向けた取り組み独立行政法人土木研究所地質地盤研究グループ佐々木哲也 1

2 内容 1. 東日本大震災における河川堤防被害の概要 2. 東日本大震災における液状化対策工の効果 3. 堤体液状化の評価と対策工法の検討 4. 河川堤防の耐震性照査手法の高度化 5. まとめと今後の課題 2

3 1. 東日本大震災における河川堤防被害の概要 3

4 河川堤防の被災パターン東北地整管内, 関東地整管内で広域にわたって 2,000 箇所以上で被害が発生地震動による堤防の大規模な被害の原因は液状化被災要因堤体土構成被災メカニズム基礎地盤の液状化基礎地盤の液状化堤体の部分液状化上記の複合基礎地盤の圧密沈下により地下水位以下の堤体が液状化堤体, 基礎地盤とも砂質土で両者が液状化基礎地盤の液状化による被災に加え, 堤体の液状化による被災も多発堤体の液状化による被災は, これまで堤防被災として主眼が置かれていなかった被災 4

5 堤体の液状化による被害事例 - 阿武隈川枝野 - 川裏側のり尻付近天端の状況約 800mにわたって天端が陥没. 沈下量は最大で2m 程度. 川裏側の耕作地を崩壊した堤体土が覆う堤体の亀裂内, 川裏側崩土先端に噴砂痕堤体の亀裂内の噴砂 5

6 堤体の液状化による被害事例 - 阿武隈川枝野 - ボーリングサウンディング結果図 : 東北地方整備局川表側被災前被災後川裏側地下水位旧堤 ( 粘性土 ) 新堤 ( 砂質土 ) 飽和した砂質土領域粘性土地盤 6

7 2. 東日本大震災における液状化対策工の効果 7

8 基礎地盤を対象とした主な液状化対策工 1995 年兵庫県南部地震以降, 基礎地盤を対象とした液状化対策を実施安定材の混合 ( ラップ施工 ) 充填材の挿入拡径, 振動締固めなどドレーン材の挿入 a) 固結工法 b) 締固め工法 c) ドレーン工法鋼矢板, 鋼管矢板など腹付け, 緩勾配化, 嵩上げなど d) 鋼材を用いた工法 e) 押え盛土, のり面の緩勾配化等河川堤防の液状化対策工設計施工マニュアル ( 案 ) ( 土木研究所 1997) 地震動: レベル1 地震動照査手法: 震度法等により以下を照査 1 円弧すべり安全率 2 改良体内の液状化の抑止 3 改良範囲の安定性 etc 8

高To 基盤層標東日本大震災における耐震対策区間の状況 10m 事例 1 鳴瀬川右岸 0.

8k 付近 ( グラベルドレーン工法 ) 5m 堤防天端天端地表地表地震計小段 SCP

小段 -5m 孔中地震計小段 -5m 間隙水圧計砂質土層 -5m As1 砂層天端 -9m

砂層 Acs シルト層 ( 下部 ) 砂質土層グラベルドレーン施工範囲 -10m SCP

9 高To 基盤層標東日本大震災における耐震対策区間の状況 10m 事例 1 鳴瀬川右岸 0.0k 付近 ( サンドコンパクションパイル工法 ) 事例 2 利根川右岸 27.8k 付近 ( グラベルドレーン工法 ) 5m 堤防天端天端地表地表地震計小段 SCP 施工範囲 SCP 施工範囲 BK 盛土層小段地表地表地震計 0m Ac1 シルト層 ( 上部 ) 小段 -5m 孔中地震計小段 -5m 間隙水圧計砂質土層 -5m As1 砂層天端 -9m 間隙水圧計天端 -14m 孔中地震計小段 -7m 間隙水圧計小段 -10m 孔中地震計 Acs 砂層 Acs シルト層 ( 下部 ) 砂質土層グラベルドレーン施工範囲 -10m SCP 改良範囲裏小段の状況利根川天端の状況 L1 地震動を考慮して設計された耐震対策区間には地震動による沈下変形の痕跡は認められず 9

10 基礎地盤に対する液状化対策工の効果 L1 対策区間小被害 2.4km 13% レベル1 要対策区間 L1 要対策区間未対策 64.2km 78% 対策済 17.7km 22% 対象 : 東北, 関東の主要被災河川 ( 北上川鳴瀬川名取川, 利根川下流江戸川那珂川小貝川霞ヶ浦 ) 大被害 0.5km 1% 13.3km 21% 17.4km 27% 被害無 15.3km 87% L1 未対策区間中被害小被害被害無 33.0km 51% 被災規模大 :HWL に達する変状中 :HWL に達しない変状小 : 小規模の亀裂等河川堤防耐震対策緊急検討委員会 : 東日本大震災を踏まえた今後の河川堤防の耐震対策の進め方について報告書, 平成 23 年 9 月 10

86cm 沈下量が増加 67cm Case1 と比べて大きな差が見られない Case3

11 動的有効応力解析による検証小貝川右岸 31.8kp( 上蛇地先 ) の例液状化層液状化層川表側川裏側遮水矢板 ( 耐震対策として実施されたものではなく, 剛性強度が小 ) 川表側への変形を遮水矢板が抑制液状化層が川表側に大きく流動 Case2 遮水矢板無 62cm Case1 現況断面被災状況を概ね再現 86cm 沈下量が増加 67cm Case1 と比べて大きな差が見られない Case3 矢板を耐震対策として設計 ( 鋼管矢板 L ) 遮水矢板や L1 対策であっても堤防の変形を抑制する効果が認められた河川堤防の耐震対策マニュアル ( 暫定版 )(2012 年 2 月 ) への反映 11

12 3. 堤体液状化の評価と対策工法の検討 12

13 堤体の液状化による被害の主な要因堤体材料 = 砂質土堤体の液状化が原因と推定される大規模被災箇所の堤体材料としては細粒分が少なく低塑性のものが多い傾向にある 2 堤体内の水位堤体内の水位が高く飽和した堤体の範囲が広いほど大きな変形が生じやすいと考えらえる被災区間と隣接する無被災区間で堤体内水位の顕著な差が認められた箇所も存在した 3 圧密沈下による堤体のめり込み量めり込みにより飽和しやすい堤体の領域が増えるまためり込みに伴う堤体の側方伸張変形により密度の低下や拘束力の低下 ( ゆるみ ) が生じより液状化しやすく変形しやすい状態となっている可能性もある 4 基礎地盤条件 = 軟弱粘性土雨水等による浸透水が滞留しやすいまた圧密沈下による堤体のめり込み量が大きくなりやすい地盤条件 13

2 5 塑性指数 IP 30 20 S/H = 0 0 < S/H 0.2 0.2 < S/H 0.4 0.4 < S/H 0.6 0.

14 堤体の液状化の可能性の判定 ( 盛土材料とめり込み量 ) 東北地方太平洋沖地震による河川堤防の大規模被災箇所のうち堤体の液状化が一因と考えらえる直轄河川堤防とその近傍の無被災箇所について整理液状化判定の対象となる FC<35% あるいは FC>35% かつ Ip<15 の範囲 40 めり込み量 1.0m 飽和層厚 1.0m かつ飽和層厚比塑性指数 IP S/H = 0 0 < S/H < S/H < S/H < S/H 沈下量 S (m) 細粒分含有率 FC (%) 堤体土の土質 H sat / H 堤体内の飽和層厚比 (H sat /H ) レベル 2 地震動に対する河川堤防の耐震点検マニュアル,2012 年 2 月に反映 14

15 堤体内液状化に関する実験 75.0 加速度計間隙水圧計土圧計変位計沈下計堤体 (DL クレー : カオリン = 3 : 1) 25.0 初期水位 ( 加振前 ) 加振時水位 : 粘性土地盤 ( スミクレー, 先行圧密 40kPa) 排水層 ( 砕石 7 号 ) 8.0 堤体の密度やのり尻の安定化に着目した検討を実施. 遠心加速度 :50G 入力波 : 道路橋示方書標準波形 ( タイプI,II 種地盤, 板島橋 TR) 40kPaで圧密した粘性土地盤 ( スミクレー粘土 ) を凹状に1.0m 掘り込み, その上に堤体模型を設置. 堤体密度の影響に関する検討では,DLクレーとカオリンを3:1の割合で混合した材料を用い,Dcを85,90% に設定. Acc. (gal) 実物スケール, unit (m) 堤体材料の材料特性 ( 密度検討 ) Dc=85% IP 7.5 液状化強度比 RL ( c =50 kpa) Dc=90% 入力波 Time (sec) 入力波 15

16 軟弱粘性土層の圧密に伴う堤体密度の変化圧密終了時堤体 Dc=90% 堤体底部の沈下量 19.4cm 天端沈下量 19.8cm 軟弱粘性土層 ( スミクレー ) 先行圧密 : 40kPa 堤体荷重による有効上載荷圧 :90kPa 堤体下部の粘土地盤では圧密進行 Dc (%) 圧密終了時の堤体内の密度分布初期密度 Dc=90% 密度がわずかに増加粘性土層 ( スミクレー ) 1:2 密度低下領域加振を行わずに堤体内の密度分布を確認. 堤体下部粘土地盤の圧密進行に伴って, 堤体底部では Dc が 2% 程度低下圧密沈下に伴う堤体底部のゆるみを確認 16

17 地震時変形に対する堤体密度の影響 Dc=85% 川表天端沈下 2.3m 加振前堤防高さ 4.8m 川裏 Dc=90% 川表天端沈下 0.9m 加振前堤防高さ 4.8m 川裏加振前飽和層厚 1.1m 加振前めり込み量 1.2m 加振前飽和層厚 1.2m 加振前めり込み量 1.2m 上面上面 4.2m 3.6m 1.8m 1.2m 法尻 ( 川表側 ) 法尻 ( 川表側 ) 堤体の締固め度 Dc を上昇させることで, 天端沈下, 法尻水平変位は半分以下に低減土木工事共通仕様書の改定 (2013 年 3 月 ) に反映. 17

18 土木工事共通仕様書品質管理基準 ( 案 )(2013 年 3 月改定 ) への反映品質管理基準 ( 案 ) を以下の通り変更変更前工種 : 18 河川海岸土工種別 : 施工試験区分 : 必須試験項目 : 現場密度の測定規格値 : 最大乾燥密度の85% 以上又は設計図書に示された値試験基準 : 築堤は 1,000m3に1 回の割合または堤体延長 20mに3 回の割合の内測定頻度の高い方で実施する変更後工種 : 18 河川土工種別 : 施工試験区分 : 必須試験項目 : 現場密度の測定規格値 : 最大乾燥密度の90% 以上ただし上記により難い場合は飽和度または空気間隙率の規定によることができる砂質土[SF](25% 75μmふるい通過分 <50%) 空気間隙率 VaがVa 15% 粘性土 F 飽和度 Srが85% Sr 95% または空気間隙率 Vaが 2% Va 10% または設計図書による試験基準 : 築堤は 1,000m3につき1 回の割合または堤体延長 20mに3 回の割合の内測定頻度の高い方で実施する 1 回の試験につき3 孔で測定し 3 孔の平均値で判定を行う 18

19 押え盛土ドレーンの効果の検証江戸崎砂 : 硅砂特 8 号 = 1 : 1 ( 締固め度 = 82%) 加速度計間隙水圧計土圧計変位計沈下計 5.0 掘削分 (H23 実施 ) 無対策砕石 7 号スミクレー ( 先行圧密荷重 = 40kPa) Case 17 流用単位 :m ( 実物スケール ) 押え盛土大 + ドレーン大天端沈下 0.75m 天端沈下 0.50m 規模の大きいドレーン工や押え盛土を施すと沈下量を抑えることが可能縦断亀裂の発生も大幅に抑制 19

20 堤体液状化の対策の当面の考え方地下水位低下工法 ( 裏のり尻にドレーン工を設置 ) 堤体内水位を低下させ堤体内の液状化する範囲を減じる浸透流解析等により目標とする地下水位となる形状寸法等を設定モニタリングによる水位確認が必要のり尻安定化工法のり尻付近の堤体の液状化に伴う強度低下をきっかけとして堤防が変状し始めるためのり尻付近の安定化を図る工法模型実験の結果等を踏まえて形状寸法を規定その 1( 裏のり尻にドレーン工を設置 ) その 2( 主に表のり尻に押え盛土工を設置 ) 河川堤防の耐震対策マニュアル ( 暫定版 )(2012 年 2 月 ) に反映 20

21 4. 河川堤防の耐震性照査手法の高度化 21

22 堤体液状化に対する解析 (ALID) の適用性の検証東日本大震災において堤体の液状化により被災したと考えられる以下の 9 断面について解析 No. 河川名地先名距離標堤防高さ (m) 沈下量 (m) PGA (gal) 5 No.1 阿武隈川坂津田 R22.5k No.2 阿武隈川枝野 R31.0k No.3 久慈本米崎 R7.0k No.4 江合川上谷地 L14.4k No.5 阿武隈川小斉 R32.9k No.6 久慈本米崎 R7.0k 解析結果天端沈下量 (m) No.7 新江合川楡木 R2.84k No.8 阿武隈川小斉 R32.8k No.9 江戸西関宿 R57.7k 実測天端沈下量 (m) 堤体液状化については危険側に評価 22

23 基礎地盤の液状化に対する解析 (ALID) の適用性の検証解析結果天端沈下量 (m) 解析結果天端沈下量 (m) 東日本大震災実測天端沈下量 (m) 過去検討断面その他の地震実測天端沈下量 (m) 1.97m 5.52m 2.68m 堤体の液状化が原因で沈下したと考えられる箇所の解析結果深い液状化層の変形が大きく影響安全側すぎる評価 23

24 堤体液状化に対する解析手法の改善 5 地下水位は地震後のボーリング調査で確認された水位であり地震時の水位と一致するとは限らない堤体内水位は天候や季節変動の影響を受ける地下水位より上の一定範囲の堤体土はサクションにより地震前から飽和度が高い状態にあったと考えられる地下水位を全て 50 cm上げる解析結果天端沈下量 (m) 実測天端沈下量 (m) 概ね沈下量が一致堤体液状化による堤防沈下は地下水位の設定が大きく影響調査法を含め, 堤体内水位の把握が重要 24

25 基礎地盤の液状化に対する解析手法の改善液状化強度の見直し ( 細粒分に応じた液状化強度を最新の試験結果から推定 ) 液状化層の中でも深い位置の液状化層の影響を低減するために液状化時の剛性を以下の関数で補正見直し前有効土被り圧液状化層の剛性補正前 = 補正後基準となる土被り圧補正後の剛性補正前 < 補正後補正前の剛性見直し後概ね沈下量が一致 25

26 基礎地盤の液状化対策への適用性の検証遠心場 :50g, 堤防高さ :5m, 地下水位 :GL 2m, 液状化層厚 :6m, CASE1 天端沈下量 1.22m 堤防高さ5m 液状化層 6m 支持層根入れ長 3m 矢板解析天端沈下量 (m) 無体策矢板 (Case1) 矢板 (Case2) 0 CASE2 堤防高さ5m 液状化層 6m 支持層根入れ長 6m 天端沈下量 0.91m 遠心天端沈下量 (m) 順次再現性の確認改善方法の提案のり尻対策 ( 締固め固結矢板 etc.) 直下改良 ( 締固め固結 etc. ) 堤体液状化対策 ( ドレーン工 etc.) 耐震対策工の設計法現状中規模地震動に対する安定性将来 L2 地震動に対する変位量 +α ( 沈下抑制効果を直接評価 ) 26

27 5. まとめと今後の課題 ( 指針類, 地震対策事業等への反映 ) 1 河川構造物の耐震性能照査指針解説,2012 年 2 月改定改訂のポイント 1 堤体液状化,2 施設計画上の津波,3 地殻変動に伴う広域な地盤沈降の考慮 2 レベル 2 地震動に対する河川堤防の耐震点検マニュアル, 2012 年 2 月策定ポイント地形区分, 液状化層厚等によるスクリーニング堤体の液状化に関する点検 1 堤体土質,2 堤体内水位等による堤体液状化被害の可能性を判定基礎地盤の液状化については従来手法を適用 3 河川堤防の震災復旧, 地震対策事業等への反映ポイント河川堤防の耐震対策マニュアル ( 暫定版 ) (2012 年 2 月 ) への反映 1 堤体液状化に対する対策工法 ( 地下水位低下, のり尻安定化 ) 2 基礎地盤の液状化対策工法 ( 土研マニュアルの適用 ) 土木工事共通仕様書 (2013 年 3 月改定 ) への反映 ( 締固め管理の強化 ) 27

28 今後の課題 1 河川堤防の耐震性照査手法の高度化被災事例を対象とした検証の結果, 堤体内水位の設定, 深い液状化層の評価に課題深い液状化層 ( 沖積層 ) の評価については, 地震動の増幅特性, 年代効果, 細粒分の影響等について, 液状化判定法の高度化と併せて引き続き検討が必要堤防の耐震性には, 基礎地盤の条件, 築堤材料, 堤体内の地下水位が大きく影響弱点箇所の抽出, 解析モデルでの設定等について調査法と併せた検討が必要 2 液状化対策工法の高度化の検討押え盛土とドレーン工を組み合わせた対策の効果を確認設計法の提案に向けた検討が必要レベル 1 地震動に対して設計された対策や浸透対策として実施した対策が一定の効果を発揮これらを踏まえ, レベル 2 地震動に対する合理的な対策工法設計法の開発が必要耐震対策工が洪水時の浸透安全性や常時の地下水流動等に及ぼす影響の評価, さらには浸透対策を兼ねた耐震対策工の開発が必要 28

下図は緊急復旧工事実施箇所のほか関東地整における大規模な被災が発生した箇所を加えた計 78 箇所において治水地形分類図から基礎地盤微地形を判読したものである大規模災害が生じた箇所の治水地形分類は自然堤防旧河道旧落掘氾濫平野が多い大規模災害箇所 ( 東北関東 )/ 治水地形分類

下図は緊急復旧工事実施箇所のほか関東地整における大規模な被災が発生した箇所を加えた計 78 箇所において治水地形分類図から基礎地盤微地形を判読したものである大規模災害が生じた箇所の治水地形分類は自然堤防旧河道旧落掘氾濫平野が多い大規模災害箇所 ( 東北関東 )/ 治水地形分類資料 -3 河川堤防の被災状況直轄河川災害の状況は現時点で, 箇所 (/ 7: 時点 ) 水系別では北上川鳴瀬川利根川で被害箇所数が大きい被害形態は堤防クラック護岸被災 ( クラック等 ) 次いで堤防沈下である平成 3 年東北地方太平洋沖地震に端を発する東日本大震災において緊急復旧工事を3 箇所実施 ( 関東地整 4 箇所東北地整 9 箇所 ) 被害箇所総数 :, 箇所水系名